一種自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流的LED電流紋波抑制電路設(shè)計(jì)

劉玉亭，金 星，殷景華

（1.哈爾濱理工大學(xué) 黑龍江 哈爾濱150006；2.浙江中科領(lǐng)航汽車電子有限公司 浙江 杭州311228）

一種自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流的LED電流紋波抑制電路設(shè)計(jì)

劉玉亭1，2，金 星1，2，殷景華1

（1.哈爾濱理工大學(xué) 黑龍江 哈爾濱150006；2.浙江中科領(lǐng)航汽車電子有限公司 浙江 杭州311228）

照明LED是一種新穎光源，有著廣泛的應(yīng)用范圍。現(xiàn)有的LED電路中，LED驅(qū)動(dòng)電路為了滿足功率因數(shù)和成本的要求，通常采用單級PFC（Power Factor Correction，功率因數(shù)校正）電路實(shí)現(xiàn)。但是這種電路輸出的電流紋波非常大，使得LED的發(fā)光帶有兩倍市電閃爍頻率，造成人眼不適和LED壽命下降。針對這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一種LED驅(qū)動(dòng)電流紋波抑制電路?？稍谝欢ǚ秶鷥?nèi)自動(dòng)適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流的大小。采用ASMC 0.5 μ BCD工藝設(shè)計(jì)，使用Cadence ADE軟件仿真電路，電流紋波抑制效果明顯，幅值僅為輸入的1%～3%，并可適應(yīng)100 mA到1 A的驅(qū)動(dòng)電流。

電流紋波抑制；LED驅(qū)動(dòng)；自適應(yīng)；開關(guān)電源；大電流

LED照明的效率高、壽命長、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛的認(rèn)知。很快就要完成繼白熾燈、熒光燈之后的又一次照明革命，它將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。LED的普及使得LED驅(qū)動(dòng)成為人們爭先研究的方向。目前的LED驅(qū)動(dòng)電源都不可避免的存在紋波。文中的主要目的是研究與探討如何解決LED的紋波電流問題。

1　LED工作原理及紋波電流產(chǎn)生原因

LED的驅(qū)動(dòng)方式和其他的傳統(tǒng)光源有很大的不同，它有單向?qū)ǖ奶匦?，并且正向電壓為?fù)的溫度系數(shù)。LED工作時(shí)一定會伴隨著發(fā)光與發(fā)熱，如果使用恒壓的方式驅(qū)動(dòng)，必然將導(dǎo)致正向電流不斷增大，直至過熱損壞。并且LED的特性一般是電流的函數(shù)，因此LED采用恒流驅(qū)動(dòng)的方式才能更好的控制亮度。所以目前市面上的LED大多是恒流驅(qū)動(dòng)，這樣可以穩(wěn)定的工作在最佳狀態(tài)，這也是LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源的一個(gè)難題[1-2]。

目前大部分的LED驅(qū)動(dòng)電路都是開關(guān)電源，其工作時(shí)一定會輸出紋波電流，也就是LED不是工作在恒流的情況下。開關(guān)電源有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛的用于驅(qū)動(dòng)LED[3-4]。目前大多數(shù)的LED的驅(qū)動(dòng)都是使用Buck、Boost、Flyback等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。開關(guān)電源主要有ACDC和DC-DC兩種。AC-DC的基本結(jié)構(gòu)為整流濾波電路，一般用4個(gè)二極管組成整流橋，然后接濾波電容。雖然使用電容濾波，其輸出的直流電壓中還會有交流紋波，頻率為輸入交流電源頻率的2倍。如在中國市電頻率50 Hz，那么低頻輸入紋波頻率為100 Hz。這個(gè)交流紋波經(jīng)過DC-DC后，在電源輸出端會有一個(gè)100 Hz的低頻紋波[5-7]。

Ron Lenk和Carol Lenk研究了紋波電流對LED的影響。當(dāng)消耗功率上升時(shí)LED效率反而下降，從而使LED的光效降低[8]。

裴倩等人研究了低頻電流紋波對Led光效的影響。結(jié)果紋波電流驅(qū)動(dòng)LED會帶來光效的損失，隨著紋波幅值的增大，光效下降很明顯[9]。

2　芯片主要模塊設(shè)計(jì)與仿真

文中的主要設(shè)計(jì)思想為在傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)為LED穩(wěn)流的芯片模塊如圖1所示，它可以自適應(yīng)LED的驅(qū)動(dòng)電流并且濾掉大部分的電流紋波。

圖1　設(shè)計(jì)應(yīng)用框圖

傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)由DC-DC直接驅(qū)動(dòng)，這樣不可避免的產(chǎn)生了電流紋波。本文提出的改進(jìn)模塊可以使LED工作在更穩(wěn)定的狀態(tài)，從而提高光效和更好的保護(hù)LED燈組。

圖2　紋波抑制原理圖

紋波抑制原理：如圖2所示前級驅(qū)動(dòng)電流通過LED燈組、功率MOS管、電阻到地。運(yùn)算放大器采樣電阻上端即S源級電壓，形成負(fù)反饋。當(dāng)前級驅(qū)動(dòng)的電流有紋波時(shí)，電阻壓降變化。當(dāng)電流增大時(shí)，R1上電壓升高，所以運(yùn)算放大器輸出電壓降低，即功率MOS管柵極電壓降低。由mos管電流公式:

柵壓降低使電流Id降低。同理驅(qū)動(dòng)電流降低時(shí)，Id升高。從而達(dá)到抑制紋波電流的目的[10]。

但是這種紋波抑制的方法有一種缺點(diǎn)，只能在特定的電流下工作，因?yàn)殡娮枋枪潭ǖ?，Vf也是固定的參考電壓，電路正常工作時(shí)，運(yùn)算放大器的反饋會把負(fù)輸入端電壓鉗制到Vf。所以本電路只能適配特定的電流。即I=Vf×R。為了解決這個(gè)問題，文中設(shè)計(jì)了自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流電路，如圖3。

圖3　自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流電路框圖

前級DC-DC提供驅(qū)動(dòng)電流給LED，LED的另一端接M1功率管然后經(jīng)過電阻R1。誤差放大器和運(yùn)算放大器通過采樣功率管M1源級漏極電壓信號控制功率管柵極從而控制功率管電流I。因?yàn)楣β使躆1與LED燈組為同一通路，所以就達(dá)到控制LED電流的目的[11-14]。

Bandgap為其他電路提供電流偏置和基準(zhǔn)電壓。LDO提供穩(wěn)定電壓為其他電路供電。OTP過溫保護(hù)模塊。UVLO欠壓保護(hù)模塊。誤差放大器正輸入端采樣功率MOS管源級電壓，負(fù)輸入端接Bandgap產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓。輸出端接濾波電容和運(yùn)算放大的正輸入，形成負(fù)反饋。這樣就可以適應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)電流[15]。主要通路中運(yùn)算放大器與誤差放大器電路圖如圖4。

電路使用ASMC BCD工藝完成設(shè)計(jì)與仿真。使用100 Hz正弦電流源模擬實(shí)際LED驅(qū)動(dòng)上面的電流紋波。使用STTH1L06model串聯(lián)模擬實(shí)際LED燈組的工作狀態(tài)。首先使用典型配置R1=500、R2=100 kΩ、R3=100 kΩ、C1=1 μF，使用正弦電流源I1（DCcurrent:100 mA，Amplitude:100 mA，F(xiàn)requency: 100 Hz）并聯(lián)電容模擬實(shí)際前級驅(qū)動(dòng)，外圍電路如圖5所示。

由仿真結(jié)果圖可知電路成功的抑制了電流紋波如圖6。上面波形為輸入電流紋波，下面波形為實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形。當(dāng)0.9 s后電路穩(wěn)定，輸出電流最大值100.48 mA最小值98.94 mA。

圖4　主要通路電路圖

現(xiàn)在分別修改輸入電流來驗(yàn)證電路是否可以自適應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)電流。

由仿真結(jié)果圖可知當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為500 mA、800 mA時(shí)，電路可以正常工作，紋波電流抑制效果很好。但當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為1 A時(shí)，電路就不能正常工作了，出現(xiàn)了很大的電流紋波。現(xiàn)在可以修改外圍電路如R1、R2、R3的值讓系統(tǒng)可以適應(yīng)更大更廣泛的驅(qū)動(dòng)電流。如提高R2電阻這樣可以提高功率管的漏級電壓這樣就可以適配大的驅(qū)動(dòng)電流，同理也可以降低R1、R3，達(dá)到相同的作用。如提高R2到200 kΩ。

圖5　仿真電路圖

圖6　100 mA驅(qū)動(dòng)電流仿真結(jié)果

圖7　500 mA驅(qū)動(dòng)電流仿真結(jié)果

圖8　800 mA驅(qū)動(dòng)電流仿真結(jié)果

圖9　1 A驅(qū)動(dòng)電流仿真結(jié)果

圖10　修改后1 A驅(qū)動(dòng)電流仿真結(jié)果

3　結(jié)　論

由以上介紹與仿真結(jié)果可以看出本設(shè)計(jì)電路可以抑制LED驅(qū)動(dòng)電流上的紋波，并且可自適應(yīng)很款范圍的驅(qū)動(dòng)電流，從100 mA到1 A的范圍內(nèi)，電路均可以將100 mA的紋波電流下降到0.8～3 mA的紋波。解決了LED的紋波電流問題。

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Design of an adaptive current ripple suppression circuit for LED driver

LIU Yu-ting1，2，JIN Xing1，2，YIN Jing-hua1
（1.Harbin University of Science and Technology，Harbin 150006，China；2.Zhejiang Autorock Electronics Co.，Ltd，Hangzhou 311228，China）

Lighting LED is a novel light source，it has a wide range of applications.In order to meet the requirements of power factor and cost，the LED driver circuit is usually implemented in a single PFC（Factor Correction Power）circuit.However，the current ripple of the output of this circuit is very large，which makes the light emitting of LED with two times the frequency of the electric flicker，resulting in the human eye discomfort and LED life.Aiming at this problem，a LED driving current ripple suppression circuit is designed.Can automatically adapt to the size of the driving current in a certain range.Using ASMC 0.5 BCD process design，using the ADE Cadence software simulation circuit，the current ripple suppression effect is obvious，the amplitude is only the input of 1%～3%，and can adapt to 1A to 100 mA drive current.

current ripple suppression；LED driver；adaptive；switching power supply；large current

TN492

A

1674－6236（2016）21-0167-03

2015-11-12稿件編號：201511119

劉玉亭（1989—），男，黑龍江五常人，碩士。研究方向：模擬電路設(shè)計(jì)。